用于感测转向扭矩和绝对角度位置的传感器组件，以及具有所述传感器组件的传感器设备的制作方法

1.本发明涉及一种用于感测转向元件的转向扭矩和绝对角度位置的传感器装置，其中，所述转向元件可以是例如机动车的转向轴或者方向盘的一部分。本发明还涉及一种具有用于感测转向元件的转向扭矩和绝对角度位置的传感器装置的传感器设备。


背景技术：

2.wo 2016/127988 a1示出了一种用于测量沿轴线延伸的机械元件上的力或扭矩的装置。力或扭矩作用在机械元件上，导致机械应力并且机械元件轻微变形。机械元件具有围绕轴线周向延伸的至少两个磁化区域，每个磁化区域用于形成在机械元件中的磁化。磁化区域各自形成用于确定力或扭矩的主传感器。该装置还包括至少第一磁场传感器、第二磁场传感器和第三磁场传感器，其各自形成用于确定力或扭矩的副传感器。主传感器，即磁化区域，用于将要测量的扭矩转换成相应的磁场，而副传感器则使该磁场能够转换成电信号。磁场传感器各自设计用于对由磁化或者由力或扭矩引起的磁场的方向分量的单独测量。该磁场由于逆磁致伸缩效应而产生。磁场传感器布置成面向机械元件，其中优选地，在磁场传感器与机械元件的内表面或外表面之间仅存在小的径向距离。磁场传感器可以成对布置在同一位置，例如在电路板的前侧和后侧上。
3.目前，磁场传感器一般采用平坦标准板。由于磁致伸缩测量原理仅在主传感器与副传感器之间或在无源与有源传感器之间的一定距离内起作用并提供可靠的测量值，因此磁场传感器应当尽可能靠近部件的磁化区域放置。因此，磁场传感器尽可能远地放置在板的边缘的外侧，以实现尽可能地靠近主传感器。然而，并非总是可以将部件靠近边缘放置，因为预定的板设计规则规定了板边缘与要放置在板上的部件之间的最小距离。结果，主传感器和副传感器之间的距离可能变得太大，使得这种传感器原理只能低质量地工作或完全不能工作。还存在由于某些安装空间要求引起的限制。
4.在申请人提交时尚未公开的专利申请de 10 2018 110 553中描述了具有该装置的扭矩传感器装置和横向稳定器。扭矩传感器装置包括至少一个主传感器，其设计为机械元件的磁编码部。机械元件上的扭矩被感测，其中，机械元件优选地是机动车上的横向稳定器的法兰。副传感器形成在面向主传感器的电路板上。副传感器将主传感器的磁场的变化转换为电信号。该板具有平坦的底面，其中表面相对于该底面成一定角度延伸。成角度的表面承载副传感器并且面向主传感器。可以形成和选择主传感器与副传感器之间的最佳距离。成角度的表面可以称为电路板的翼。
5.de 44 09 892 a1描述了一种用于感测车辆的转向角度的传感器。该传感器包括由多个传感器扫描的第一码盘，例如磁霍尔势垒。第一码盘与方向盘以相同的速度旋转。该传感器还具有以第一码盘的速度的四分之一的速度旋转的第二码盘。可以选择两个码盘相对于彼此的速度的比率。第二码盘具有由传感器扫描的三个码道。生成的精细和粗略信号被适当地链接以确定角度。
6.根据de 195 06 938 a1，已知一种用于可旋转物体中的角度测量的方法和设备，特别是可旋转超过360
°
的物体。在可旋转物体上还布置有至少两个可旋转物体，其中，这些物体彼此作用。例如，可旋转物体是齿轮或环形齿轮，这些齿轮或环形齿轮的齿或角度标记彼此啮合。该方法提供了通过附加传感器确定附加物体的角度位置。根据可旋转物体的确定的角度位置确定第一可旋转物体的角度位置。每个可旋转物体具有预定数目的齿，其中，另外的可旋转物体的齿数不同于第一可旋转物体的齿数。该公开还描述了用于评估传感器信号和确定角度位置的方法，明确引用该公开。
7.特别是当启动具有自动驾驶或辅助系统的机动车时，必须知道转向元件如转向轴的当前转向角度和转向扭矩。在机动车停放时存储的测量数据由于当传感器关闭时转向元件的转动而可能被删除或不再正确，使得当机动车启动时无法获得正确的测量数据。


技术实现要素：

8.基于现有技术，本发明的目的是提供一种传感器装置和传感器设备，其可以在多圈转动期间特别是当机动车启动时确定可旋转机械部件的转向扭矩和绝对角度位置。将可以根据转向元件的实际位置确定绝对角度位置，而无需首先移动到零位置。
9.根据本发明，该目的是通过根据所附权利要求1所述的传感器装置和通过根据权利要求9所述的传感器设备实现的。
10.根据本发明的传感器装置用于感测沿轴线延伸的转向元件的转向扭矩和绝对角度位置。转向元件是例如机动车的方向盘的一部分或把手或转向轴或者机动车的转向路径中的类似部件。特别地，传感器装置用于在转向元件的多圈转动期间即对于大于1的回转或超过360
°
确定转向扭矩和绝对角度位置。通常，一般转向距离允许从每个方向的正前方位置开始的至少2.5个回转或 /-900
°
的旋转角。转向扭矩也可以称为扭矩，并且绝对角度位置也可以称为旋转的角度。为了确定测量数据，传感器装置包括电路板、第一传感器元件和第二传感器元件。电路板具有垂直于转向元件的轴线的底面。此外，电路板包括相对于底面成一定角度延伸的至少一个面。第一传感器元件用于确定在转向元件上例如由驾驶员引入的转向扭矩。第一传感器元件由至少一个主传感器和面向主传感器的副传感器组成。主传感器产生磁场，其中，所述主传感器被设计为转向元件上的磁编码部。副传感器用于感测主传感器的磁场并且将该信号转换为电信号。面向主传感器的副传感器布置在电路板的成角度的表面上。第二传感器元件用于确定绝对角度位置，其中，第二传感器元件包括布置在转向元件上的主齿轮和至少两个附加齿轮以及布置在板的底面上的角度传感器。第一齿轮、第二齿轮和主齿轮相互关联，使得旋转被传递。第二齿轮的齿比第一齿轮的齿多一个。因此，游标原理可以用于感测。每个齿轮形成目标或具有目标，其中，目标以如下方式布置：其位于面向布置在电路板的底面上的角度传感器，使得在转向元件被旋转时可以感测到绝对角度位置。因此可以通过传感器装置同时确定转向扭矩和绝对角度位置。
11.本传感器装置的一个优点是可以同时感测多圈转动即大于360
°
的转向元件回转和转向扭矩。利用根据本发明的传感器装置，可以有利地在启动包括具有传感器装置的转向元件的机动车时立即测量转向扭矩和绝对角度位置。结果，不需要参考点或在机动车停放时存储转向元件的旋转。
12.优选地在从转向元件的零位置开始在-900
°
与 900
°
之间或转向元件的正/负2.5
回转的范围内确定绝对角度位置。因此，可以在旋转的两个方向上测量。可以想到其他数目的回转。
13.第一传感器元件和第二传感器元件优选地布置成彼此正交。
14.板的成角度的面优选地布置成平行于转向元件的轴线。替选地，电路板的成角度的面优选地布置成平行于转向元件的表面或侧表面，使得确保主传感器和副传感器之间的小距离以提高测量精度。板的成角度的面优选地形成为垂直于板的底面。
15.电路板优选地包括一个或大于一个的成角度的面。电路板特别优选地包括两个成角度的面。替选地，电路板优选地包括四个成角度的面。可以想到电路板的大于四个的成角度的面。
16.第一传感器元件利用逆磁致伸缩效应。主传感器优选地设计为在转向元件的外表面上的磁编码部的形式，使得主传感器以短距离面向副传感器。替选地，主传感器可以设计为转向元件的一部分或集成到转向元件中。例如，转向元件可以是空心轴，主传感器布置在该空心轴的内径上。
17.位于电路板的成角度的部分上的副传感器优选地是磁场传感器。
18.如果电路板具有大于一个的成角度的面，则第一传感器元件可以具有若干个副传感器。这提高了测量精度。
19.第二传感器元件设计为角度旋转编码器。优选地，每个齿轮的目标以磁体的形式布置在齿轮上。替选地，齿轮本身优选地设计为目标，其中，齿轮由导电材料组成。在一个实施方式中，齿轮的齿也可以用作目标。
20.在一个实施方式中，第二传感器元件具有大于两个的附加齿轮，使得可以增加测量精度并且减少测量误差。第二传感器元件的附加齿轮的数目应该始终是二的倍数。主齿轮也可以被设计和称为环形齿轮。
21.用于感测绝对角度位置或旋转的角度的角度传感器优选地是旋转角度传感器。角度传感器特别优选地是感应涡电流传感器。替选地，角度传感器优选地是磁传感器。在一个实施方式中，可以使用感应涡电流传感器和磁传感器的组合。在替选实施方式中，传感器是例如感测齿轮的齿的光学传感器。可以想到其他类型的传感器。至少一个角度传感器被布置成面向至少两个齿轮中的每一个。可以想到其他类型的传感器，电容式、电阻式等。
22.角度传感器可以在接触或不接触的情况下进行测量。角度传感器优选地设计成不接触的。
23.至少两个齿轮经由布置在转向元件上的主齿轮驱动。齿轮的角度信息通过角度传感器感测并且由此确定绝对角度位置。
24.在另一实施方式中，第二传感器元件具有大于一个的角度传感器以提高测量精度和冗余度。第二传感器元件优选地具有布置在板的底面上的两个角度传感器。
25.在优选实施方式中，传感器装置还具有用于评估感测到的测量数据的评估单元。
26.根据本发明的传感器设备包括可旋转的转向元件和根据以上通过其所有实施方式描述的传感器装置的布置在转向元件上的传感器装置。转向元件优选地是动力转向系统的一部分。动力转向特别优选地是电子动力转向。
附图说明
27.本发明的其他优点和细节根据以下参照附图对优选实施方式的描述得出。在附图中：
28.图1示出了具有传感器装置的根据本发明的传感器设备的第一实施方式的两个截面图；
29.图2示出了传感器设备的第二实施方式的两个截面图；
30.图3示出了传感器设备的第三实施方式的两个截面图；
31.图4示出了传感器设备的第四实施方式的两个截面图。
具体实施方式
32.图1示出了具有根据本发明的传感器装置01的根据本发明的传感器设备的第一实施方式的横向截面和纵向截面。传感器装置01用于感测通常安装在机动车中的转向元件02的转向扭矩和绝对角度位置。转向元件02具有轴线03，其同时是旋转轴线。传感器设备包括转向元件02和传感器装置01。转向元件02可以是机动车的转向轴。传感器装置01包括电路板04、用于感测转向扭矩的第一传感器元件06和用于感测绝对角度位置的第二传感器元件07。特别地，传感器装置01用于确定在可能回转》1时转向元件02的绝对角度位置，并且同时确定转向元件02上的转动或转向扭矩。电路板04具有底面08，该底面布置在转向元件02上并且与其轴线03正交。板04具有与其底面08垂直的两个翼面09。
33.第一传感器元件06是扭矩传感器，其具有磁编码部11和面向该磁编码部的磁场传感器12。编码部11形成主传感器并且磁场传感器12形成副传感器。磁场传感器12将由磁编码部11产生的磁场转换成电信号。磁编码部11优选地形成在转向元件02的侧表面上并且磁场传感器12布置在电路板04的翼面09的径向内侧上。在两个翼面09的每个上布置有两个磁场传感器12。翼面09面向彼此。
34.第二传感器元件07是角度旋转编码器并且包括主齿轮13和两个附加齿轮14。主齿轮13设置在转向元件02上以与电路板04的底面08平行。主齿轮13和两个齿轮14彼此啮合，使得以平移方式传递转向元件02的旋转。所有齿轮13、14以其延伸主平面平行于板04的底面08的方式放置。第一和第二齿轮14的齿数相差一。两个齿轮14至少部分地由导电材料或具有良好导电性的填充材料形成，使得两个齿轮14可以用作目标。在电路板04的底面08上，两个涡电流传感器16布置成面向两个齿轮14。涡电流传感器16包括接收器线圈和励磁线圈并且感测所感生的磁场。
35.因此整个传感器装置01无接触地工作。通过由涡电流传感器16根据附加齿轮14确定的角度数据，在旋转超过360
°
或回转大于一的情况，也可以确定转向元件的绝对角度位置。有利地，转向元件02的转向扭矩和绝对角度位置可以利用根据本发明的传感器设备同时且迅速地确定，使得在启动机动车时不需要存储的数据。例如在启动机动车时确定当前的转向扭矩和绝对角度位置。传感器设备还具有用于评估的评估单元(未示出)。在图1的横向截面视图a-a中，转向元件02被示出为具有周向分布的相对的翼面09，每个翼面具有磁场传感器。涡电流传感器16布置成面向齿轮14。
36.图2示出了传感器设备的第二实施方式的横向截面和纵向截面。图2中所示的传感器设备最初类似于图1中所示的传感器设备。与图1相比，图2中所示的传感器设备具有替代
的第二传感器元件07，该第二传感器元件具有角度传感器16和具有相关联的磁传感器18的磁体形式的目标17的组合。一个目标17布置在两个齿轮14之一上，其中，目标17面向固定在电路板04的底面08上的磁传感器18。磁传感器18感测由目标17产生的磁场以确定转向元件02的绝对角度位置。
37.图3示出了最初与图1中所示的传感器设备相同的传感器设备的第三实施方式的横向截面和纵向截面。与图1相比，图3中所示的传感器设备具有带有四个而不是两个翼面09的电路板04。在电路板04的四个翼面09中的每个上布置有两个磁场传感器12。翼面09各自布置成围绕转向元件02偏移90
°
，这在横向截面视图b-b中示出。在每种情况下，两个翼面09面向彼此。此外，图3中所示的传感器设备与图1中所示的传感器设备的不同之处在于，图3中所示的根据实施方式的第二传感器元件具有四个齿轮14。四个齿轮14与主齿轮13啮合并且至少部分地由导电材料组成。
38.图4示出了传感器设备的第四实施方式的横向截面和纵向截面，该传感器设备最初与图2中所示的传感器设备相同。与图2相比，图4中所示的传感器设备具有带有四个而不是两个翼面09的电路板04。在电路板04的四个翼面09中的每个上布置有两个磁场传感器12。翼面09各自布置成围绕转向元件02偏移90
°
，这在横向截面视图b-b中示出。在每种情况下，两个翼面09面向彼此。此外，图4中所示的传感器设备与图2中所示的传感器设备的不同之处在于，图4中所示的根据实施方式的第二传感器元件具有四个齿轮14。四个齿轮14与主齿轮13啮合。两个相对的齿轮14在其面向板04的侧表面上具有目标17。每个目标17布置成面向磁传感器18。另外两个齿轮14与角度传感器16感应地相互作用。因此，示出了不同传感器应用的组合。
39.附图标记说明
40.01传感器装置 02转向元件 03轴线 04电路板 05-06第一传感器元件 07第二传感器元件 08电路板底面 09翼面 10-11磁编码部 12磁场传感器 13主齿轮 14齿轮 15-16涡电流传感器 17目标 18磁传感器。